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摘要 双驱动熔体泵的性能结构研究 摘要 在聚合物挤出加工系统中配置熔体泵，可以降低对挤出机建压和输送 能力的要求，生产线的产量及稳定性大幅提高，挤出物料的温升与能耗显 著降低。在石化行业中使用大型双驱动熔体泵已成为一种趋势。与单驱动 熔体泵相比，其齿轮轮齿处于啮合非接触状态，工作时不产生啮合力，从 而有效降低单根齿轮轴( 尤其是从动轴) 因负载过大而产生疲劳破坏的可 能性。 本文在前人对单驱动熔体泵的研究基础上，针对大型双驱动熔体泵的 一些主要结构与性能参数的设计问题进行研究。归纳了熔体泵齿轮结构参 数对熔体泵排量、流量脉动等参数的影响，通过采用非标设计齿轮齿形， 提出一种增大几何排量的齿形方案；使用v i s u a lb a s i c 语言得到一套熔 体泵齿轮结构参数的设计计算模块，该模块可根据熔体泵排量、传动原理 与强度条件的要求优选求解齿轮结构参数；对双驱动熔体泵齿轮轴所受径 向力和扭矩进行了理论分析和推导，用v i s u a lb a s i c 语言得到一套熔体 泵的性能参数设计计算模块，可以实现对双驱动泵的输入扭矩、输入功率、 泵的流量等性能参数进行求解。 针对熔体泵轴承采用聚合物熔体润滑的特殊性，本文应用p o ly f l o w 软件对一套大型熔体泵的动压滑动轴承流场进行了模拟分析，使用5 种不 同转速边界条件，得到了每种转速下轴承润滑油膜的速度场、粘度场及压 北京化f t 人学硕i ：学位论文 力场，考查了转速对以非牛顿流体为润滑介质的轴承承载力的影响。 本文使用v i s u a lb a s i c 语言得到的两套设计计算模块可以简化熔体 泵的设计工作，提高设计效率。对动压滑动轴承流场的模拟分析，可为大 型熔体泵确定工作转速范围和轴承结构参数设计提供一定的参考。 关键词：熔体泵，双驱动，性能，结构，滑动轴承，p o l y f l o w a b s t r a c t p e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i s ms t u d yo fd o u b l e d l u v em e l tp u m p a b s t r a c t a s s e m b l i n gm e l tp u m p si np o l y m e re x t r u s i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，c a n r e d u c et h ee x t r u d e r sr e q u i r e m e n t si nb o t hp r e s s u r eb u i l d i n ga n dc o n v e y i n g c a p a c i t y t h eo u t p u ta n ds t a b i l i t yo ft h ep r o d u c t i o nl i n ew i l li m p r o v eg r e a t l y , t h et e m p e r a t u r eo fe x t r u s i o nm a t e r i a l sa n de n e r g yc o n s u m p t i o nw i l lb e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d u s i n gl a r g ed o u b l ed r i v em e l tp u m p si np e t r o c h e m i c a l i n d u s t r yh a sb e c o m eat r e n d c o m p a r e dw i t hs i n g l ed r i v e nm e l tp u m p ，t h e g e a rt e e t ha r ei nn o n c o n t a c ts t a t e ，t h e r ei sn oe n g a g i n gf o r c ed u r i n gw o r k i n g ， t h a te f f e c t i v e l yr e d u c et h ep o s s i b i l i t yo ff a t i g u ed a m a g ec a u s e db ye x c e s s i v e l o a do fe v e r yg e a rs h a f t ( e s p e c i a l l yt h ed r i v e ns h a f t ) i nt h i sp a p e r , b a s e do np r e v i o u ss t u d yo fs i n g l ed r i v em e l tp u m p ，s o m eo f t h em a i ns t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rd e s i g np r o b l e mo ft h ed o u b l e d r i v em e l tp u m pi ss t u d i e d r e s e a r c h e rs u m m a r i z e st h ee f f e c to fg e a r s t r u c t u r a lp a r a m e t e r st a k e st ot h eo u t p u tv o l u m e 、f l o wp u l s a t i o n ，u s i n gv i s u a l b a s i cl a n g u a g et og e tas e to fm o d u l ef o rm e l tp u m pg e a rs t r u c t u r ed e s i g na n d c a l c u l a t i o n ，t h em o d u l ec a no p t i m i z et h et o o t hn u m b e r 、m o d u l u so ft h e a c c o r d i n gt ot h eo u t p u tv o l u m e ，a n dg e a rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sc a na l s ob e i i i 北京化t 火学硕l ：学位论文 c a l c u l a t e db yt h i sm o d u l e t h i sp a p e rt a k e sam e t i c u l o u sa n a l y s i sa n d d e r i v a t i o nf o rr a d i a lf o r c ea n dt o r q u eo fe a c hd o u b l ed r i v ep u m p s g e a rs h a f t ， s t r e n g t hc h e c k i n go fs h e a rs h a f t sd a n g e r o u ss e c t i o ni ss t u d i e d u s i n gv i s u a l b a s i cl a n g u a g et og e tas e to fm o d u l ef o rd e s i g no f m e l tp u m p sp e r f o r m a n c e p a r a m e t e gt h ei n p u tt o r q u e 、i n p u tp o w e r 、f l o wo ft h ed o u b l ed r i v em e l tp u m p s c a nb ec a l c u l a t e db yu s i n gt h i sm o d u l e d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h el u b r i c a t i o ns y s t e mi nm e l tp u m pb e a r i n g ， i no r d e rt og e tt h ep r e s s u r ef l o wf i e l d ，t h i sp a p e ru s e sp o l y f l o ws o f t w a r et o m a k e s o m es i m u l a t i o n a n a l y s i s o ft h eb e a r i n g ，f i v ed if f e r e n tb o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ec h o s e n w h e nu n d e re a c hr o t a t i n gs p e e d ，t h ev e l o c i t y 、p r e s s u r e a n dv i s c o s i t yf i e l da r eo b t a i n e d ，b e a r i n gc a p a c i t yo fu s i n gn o n n e w t o n i a nf l u i d w a ss t u d i e dw h e n t a k i n gr o t a t i n gs p e e di n t oa c c o u n t b yu s i n gv i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，t h i sp a p e rg e t st w os e t so fd e s i g na n d c a l c u l a t i o nm o d u l ef o rd o u b l ed r i v em e l tp u m p s ，t h e yc a ns h o r t e nt h ec y c l e o f m e l tp u m pd e s i g n ，i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f m e l tp u m pd e s i g n b a s e do n t h es t u d yi nt h i sp a p e ra n dr e s e a r c hi nb e a r i n g s d y n a m i cp r e s s u r el u b r i c a t i o n ， i tc a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ed u r i n gt h eb e a r i n gs y s t e md e s i g no fm e l t p u m p s k e yw o r d s ：m e l tp u m p ，d o u b l ed r i v e ，p e r f o r m a n c e ，m e c h a n i s m ，p a r a l l e l b e a r i n g ，p o l y f l o w i v 符l j 说i 列 符号说明 熔体粘度，p a s 剪切速率，s 1 熔体泵理论排量，c l i 1 3 r - 1 齿宽，l - n l n 齿顶圆半径，r a i n 齿轮节圆半径，l l l n l 模数 齿顶圆直径，l l l r n 齿轮节圆直径，m l n 驱动轴扭矩，n 1 1 1 泵的转速，r m i n - 1 压差，m p a 泵的功率，k w 机械效率 齿数 齿轮变位系数 中心距变动系数 齿顶高变动系数 轴的抗弯截面系数，n l n l 3 轴的计算应力，m p a 泵送流量，m m 3 s - - 1 螺旋槽宽，n l r n 螺旋棱宽，m m 单侧问隙，t o n i 螺旋头数 螺旋长度，n u n 密封系数 螺旋角 为轴颈直径，m i l l 为轴颈转速，单位为r m i n - 1 轴承直径问隙，m i l l 半径间隙，m m 矽厂g曰加r m加d丁卸p z j y 盯形 蜴沈培c，焰矽d 行万 北京化t 大学硕i j 学位论文 相对间隙 熔体稠度，n - s “一 熔体的幂律指数 轴颈承受的外载荷，n 承载量系数 偏心率 轴颈圆周速度，r - r a i n - 最小润滑膜厚度，1 1 1 1 1 1 许用润滑膜厚度，m m 安全系数 齿根圆的半径，m m 两个齿轮的实际中心距，m m 卸荷槽深度，m m 承摩擦产生的热量，j 轴承的平均压力，p a 润滑熔体流量，m 3 s - 润滑熔体的密度，k g 一 轴承的表面传热系数，w i 一o c 一 摩擦系数 少m 阼尸q z v k附s墨彳办p p口夕吼厂 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：套迹垒：日期：丝聋! 鱼! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：鲜：丛 日期：芝1 2 二垒：么 第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔体齿轮泵在聚合物加工中的应用 聚合物熔体齿轮泵由z e n i t h 公司最先研制成功并用于人造丝挤压生产中，其结构 与液压传动中的外啮合齿轮泵类似，工作原理相同。它与螺杆挤出机配合使用可以提 高挤出产量和产品质量，降低能耗，尤其在精密挤出成型方面起到其它加工手段无法 替代的作用( 如图1 1 ) 。在能源紧缺、原材料费用昂贵的今天，聚合物熔体齿轮泵这 种优异的性日 匕p - , 1 4 k e t 自然的引起塑料加工界的极大关注【i 3 】。 l 曩杆挤出机；醐体系；卜节流鸱； 卜过滤同；，- 机头i6 一压力曲线 图卜1 塑料挤出系统中的熔体泵 f ig 1 1m e l tp u m pi nt h ep l a s t i c se x t r u s i o ns y s t e m 随着研究的深入和若干关键技术的突破，熔体齿轮泵的应用范围日益广泛。目前 它可加工的物料几乎涵盖了大部分高分子材料，如p e 、p c 、p p 、p v c ，p e t ，聚砜、 聚酯、含氟聚合物、热塑性弹性体及橡胶等，已成为现代塑料成型加工技术和装备发 展的热点。 熔体齿轮泵主要用于熔体输送、增压和计量，具有结构紧凑、运转可靠、能耗低、 容积效率高、对熔体的剪切作用小等特点。熔体齿轮泵输送的是聚合物熔体，它要在 高温3 5 0 。c 下，高压3 0 m p a 左右的条件下连续工作；泵的材质要耐温、耐磨、耐腐 蚀，要有足够的强度和尺寸稳定性；泵的轴承不能使用通常的润滑油脂，以避免污染 熔体；泵的密封问题也十分棘手。而且，由于泵送过程中塑料熔体的黏度比化纤熔体 高，要求齿轮泵建立更高的压力，需要更大的扭矩。因此，熔体齿轮泵的设计和制造 方面存在许多技术难题。 1 1 1 在塑料挤出中的应用 熔体齿轮泵能够持续地向挤出机头泵送精确的料流量，从而减小挤出制品的公 差，使单组分的物料制出更多的合格产品。当挤出制品的尺寸公差要求比较严格或制 品的原料成本较为昂贵时，使用熔体齿轮泵显得更有价值。 北京化t 大学硕l ：学位论文 在同向双螺杆挤出机与熔体齿轮泵组合的混炼挤出造粒生产线中，可以免除双螺 杆为克服机头阻力需要具备的建压功能( 建压能力差是同向双螺杆自身固有的弱点) ， 在螺杆的有限长度内充分设置混炼功能段，让建压功能由熔体齿轮泵承担，从而使该 生产线的混炼质量与产量比单独的双螺杆造粒机组大幅提耐4 5 】。单机产量的提高使加 工每千克物料的能耗降低，一般可降低约2 5 。 与熔体齿轮泵和管板膜等挤出机头组合成生产线，如图所示。 加辑 图卜2 挤出机一熔体泵生产线 f i g 1 2e x t r u d i n gm a c h i n em e l tp u m pp r o d u c t i o nl i n e 这样的系统除具有建压的优点外，它还能通过简化挤出制品生产工艺过程，缩短 生产周期来实现节能。例如，这种系统特别适合挤出制品的材料需要经过共混改性， 物料必须经过充分混炼均化才能达到制品质量要求的场合。在这种生产过程中，一般 分两步进行。第一步将原料混炼造粒，第二步再用另外的设备将粒料重新加温熔融后 挤成制品。在这两步中将熔料冷却至常温然后再加温至熔融态挤出，其中伴随着大量 的能量耗费。而应用熔体齿轮泵的挤出设备，将传统挤出工艺过程中这部分可观的能 量节省下来，从而实现高效节能。 应用熔体齿轮泵，可以在挤出生产线中使用多台挤出机同时向一台熔体齿轮泵供 料，熔料经熔体齿轮泵汇合增压计量后供给机头而挤出制品。使用这种配置可以实 现用中小型挤出机挤出大型制品( 大口径管材宽幅板宽幅膜等) 的目的。这种配置 的生产线结构紧凑，占地面积小；挤出制品的截面尺寸更精确且控制容易【6 羽。 在单螺杆排气挤出机上串接熔体齿轮泵，可使该系统操作自如，性能优越。与传 统的单螺杆排气挤出机相比，产量可大幅提高。在高机头压力和高产量下，挤出量可 随意调节而排气口决无冒料情况发生。 1 1 2 在微孔塑料成型中的应用 微孔塑料是指泡孔直径为0 1 1 0 微米，泡孔密度为1 0 9 - 1 0 1 2 个c m 3 的泡沫塑料， 具有优异的综合性能。微孔塑料的发泡成型过程一般都要经过三个阶段，即气泡的成 核气泡的长大和泡体的固化定型。其中，在气泡的成核过程中需要大的压力和压力降 速率，因此，可以利用熔体齿轮泵作为成核装置。熔体齿轮泵用作成核装置主要是利 2 第一章绪论 用齿轮泵的增压作用提高熔体的压力。在这种微孔塑料挤出设备中，是在机筒后端安 装一个齿轮泵，随后接上挤出发泡机头。气体聚合物体系进入齿轮泵的入口后，在齿 轮轮齿与泵体内壁形成密闭的空间，随着齿轮的转动，密闭的空间越来越小，使得聚 合物熔体压力增大，从而提高熔体的压力。体系从熔体齿轮泵流出后迅速释放压力， 从而形成大量的气泡核，再经过固化定型得到微孔塑料。 1 1 3 双驱动熔体泵在塑料加工中的应用 随着石化行业技术进步的要求，大排量、高压化将成为熔体泵发展的一个必要趋 势。在石油化工企业的聚合装置下游，一般都需要配置一套大型造粒装置，将通过聚 合而成的粉状原料制成颗粒料。在该造粒装置中，较常用的是将大型挤压机与专用熔 体泵串联使用，由挤压机完成原料的熔融、塑化、排气及与辅料的混合，由熔体泵将 混合后的物料建压并输送进入水下造粒装置。 随着熔体泵几何排量、压差的增大都会使得熔体泵齿轮轴的径向力、扭矩增大， 尤其对于单驱动熔体泵的从动齿轮轴，其所受负载要大于主动轴，在生产中，由于齿 轮轴的负载过大而导致从动轴破坏的实例屡见不鲜，如 t 9 j 图卜3 单驱动熔体泵从动轴断裂 f i g 1 - 3t h eb r o k e nd r i v e ns h a f ti ns i n g l ed r i v em e l tp u m p 使用双驱动熔体泵就能较好的改善这种问题，它能在提高熔体泵产量的基础上， 由于双驱动熔体泵的轮齿为啮合非接触状态；齿轮轴和轴承承载时仅仅受到来自熔体 出入口之间压差的液压力，没有了主从动轴之间的啮合力作用，同时降低了单根轴上 所需要的输入扭矩，这样就降低齿轮轴因为负载过大而产生疲劳破坏的可能性，延长 泵的使用寿命，节约生产成本【l0 1 。在高产量和大型化的石化造粒装置中，双驱动熔体 泵的使用显示了它的优越性，下图为一台正在塑料加工中的双驱动熔体泵。 北京化t 人学顶i 学位论文 ，蜜鬣犀 簧氆，竺爨 冷甄一7 曙蕊爨i 争 图卜4 生产中的般驱动熔体泵 f i g 1 一t h ed o u b l ed r i v e m e l t p a m p i n p r o d u c t l i n e 1 2 熔体泵的主要功能及特点 不论是单驱动或者双驱动熔体泵，其在生产应用中的功能和优越性是显而易见 的，概括起来，主要在于以下几个方面。 1 稳压计量 在最近十几年中，熔体泵技术己经成为国内外聚合物加工业引人注目的热点问 题。熔体泵能够稳定挤出过程中的压力和流量波动，持续地泵送精确的料流量，从而 减小挤出制品的公差使单组分的物料制出更多的合格产品，当挤出制品的尺寸公差 要求比较严格或制品的原料成本较为昂贵时，使用熔体泵显得更有价值。 把熔体泵串联在螺杆挤出机的末端后进行挤出具有非常好的稳压作用，而不受泵 的入口处由上游设备所造成的各种波动因素的影响，这是由上述熔体泵自身的工作原 理决定的。熔体泵工作时，当泵的出口出现诸如滤网、滤板或某一成型模具产生的阻 力时t 泵中的齿轮就像一个缸桶内的活塞，对排料区的熔体实施挤压作用，以实现泵 的增压功能。同时，泵中的齿轮又相当于一个转动着的屏障，可以有效的阻隔进料区 的压力波动和流量波动对排料区的影响。此外，物料在间隙中的流动阻力较大，漏流 量很小，压差变化引起的漏流量对泵输送量的影响也很小。由于齿轮泵本身是由一个 独立的电机驱动的，再次减小了压力脉动产生的可能 l 2 - 1 4 】。因此，熔体泵可以有效的 阻隔上游设备的压力脉动毗及流量波动。当泵的入口压力因各种因素的波动而在一个 很大的范围内变化时，泵的出口压力波动完全可以被控制在极小的变动范围。各种文 献及实验数据表明熔体泵稳定出口压力的能力是很强的。一般熔体泵可以提供1 或更好的产量均一度，这可以转变成极佳的制品厚度均一性。品质更好一些的熔体泵， 其入口压力波动经过泵后的减弱比可达5 0 ：1 ，出口压力波动可小于0i m p a 。在磁带 和其它高性能p e t 胶片的生产中，其产品的厚度控制可由3 提高到0 , 5 ：生产壁 厚为! 6 r a m 的柔性管，厚度变化仅为o3 7 ( o0 0 6 m m ) ，尺寸均一达到了极高的精 第章绪论 度。 图1 - 5 熔体泵入口压力波动和山口压力波动 f i g 1 - 5p r e s s u r ef l u c t u a t i o no ft h eo u t l e ta n dt h ei n l e to fg e a rp u m p 如图1 5 ，这是用一台单螺杆挤出机挤出h d p e 时，泵的入口压力波动和出口压 力波动图。从图中我们可以看到，当挤出机的螺杆转速降低2 8 r p m 时，泵的入1 3 压 力急剧的下降达到1 0 0 0 p s i ，泵的出口压力仅下降2 0 p s i 左右。而当挤出机的螺杆转速 上升2 9 r p m 时，泵的入口压力又很快的上升1 0 0 p s i 多，泵的出口压力却是变化不超 过2 0 p s i 。这说明熔体泵具有非常好的稳压计量功能。 2 增压增产 在有熔体泵相助的挤出线上，熔体泵替代螺杆挤出机承担建压和计量的作用。由 于泵的入口压力可以维持较低( 通常3 - - 5 m p a ) b p 可，所以从挤出机的螺杆到熔体泵之 间的压力输送过程中，物料的回流可被降低。从液压角度来讲，熔体泵是一种比挤出 机更易有效建立压力的装置。因而，螺杆挤出机在给定的模头压力下，其输出可被大 大改善。熔体泵可以容易地建立起模头压力，这样就可以降低挤出机的背压。按一般 规律，挤出机的背压每降低1 0 0 0 p s i ，其在给定速度下的输出量可增加大约1 0 。在 l d p e 的挤出实验中，靠使用一台熔体泵，挤出机输出量比在同样的螺杆速度及模头 压力下增加了2 9 。显而易见，利用熔体泵，挤出机在同样的速度下，其生产能力可 大大提高。 3 增加挤出系统的柔性 熔体泵把挤出机与下游的成型设备隔离开来，使其成为互不影响( 在一定程度上) 的独立单元。即使挤出机由于物料“架桥 ，回收料的加入及操作者的偶然失误，造 成压力波动。只要在熔体泵入1 3 所要求的压力范围内( 保证不发生“饥饿”状态) ，都 可以在泵的出口获得稳定的熔体流。因此在机头与挤出机之间不必建立非常复杂的闭 环控制系统。压力的调节可以通过泵的转速改变来实现【i5 1 。并且可以在不改变系统几 何参数的情况下完成多种物料及制品的加工。 4 近似线性输出特性 | 匕京化t 大学顿i 。擎位论史 从图i _ 6 熔体泵的流量与转速关系图可以看到，泵的输送能力与泵的转速之间基 本上呈线性关系，可以认为熔体泵具有线性输出的特性。实际上，熔体泵的实际流量 应当等于泵的理论流量减去漏流量。由于齿轮泵内部中的各种间隙以及压差的存在， 所有的泵都会或多或少的存在着一些泄漏量。漏流量的大小和间隙、压差、温度及转 速有关。所以，熔体泵不能说一种完完全全的正位移输送设备。但是，一般情况下熔 体泵的间隙是非常小的。齿轮泵正常运转的情况下，漏流量几乎可以忽略不计。 3 0 0 2 5 0 ：2 0 0 3 l5 0 1 0 0 璃5 0 泵转速与流量的关系 _ 二。z 7 歹_ 二 02 03 04 0 泵转速( r m i n ) 图l 巧熔体泵流量与齿轮转速的关系 f t 9 1 _ 6 t h er e l a d o m h l pb e t w e e n t h e f l u xa n d t h er o t a d o n & ls p e d o f g e a r p u m p 5 降低熔体温度 由于螺杆挤出压力的降低，使得挤出机的计量段内的剪切较小，物料停留时间较 短。因此挤出物的温度较传统方式有很大降低。但这里要同时考虑的是熔体泵在泵送 过程中造成的温升必须小于该下降值，才能有效地降低熔体的温度“。 一 q 强老毯墨霭蕊醢璃麓目目涵 一一- - 监 ：2 ， 一 。“= = = = = 1 = = j 。k 一生盛鞠b 删d 由若：= = = _ = 嚣 图1 4 加装齿轮泵和无齿轮泵的挤出机在温度和压力方面的比较 f i g1 - 7 t h ec o m p a r i s o n i n t e m p c n l u r e a n d 口r c s m b e t w e e ne x t r u d e r w i t hg e a r p m n p a n d e x t r u d e r w i t h o u t g e a r p u m p 从图1 7 中可知，加装齿轮泵的挤出机不仅在模头处的熔体温度有所降低，而且 在模头前压力达| 峰值。这样就降低了挤出机套筒和螺轩的熔体温度和压力，因此延 第一帝绪论 长了挤出机的使用寿命。 1 3 熔体齿轮泵的现状和研究 1 3 1 国内外熔体齿轮泵的现状 目前在我国销售的熔体齿轮泵主要有同本制钢所( j s w ) 、神户制钢所( k o b e ) 和瑞士马格( m a a g ) 公司引进，其中m a a g 公司是专门生产熔体齿轮泵和熔体过滤器 的厂家，其产品规格最全，技术力量最为雄厚，为市场上的领导者，其熔体泵的最大 产量能够达到l1 4 t h ，在中国市场的份额约为4 0 。 近年来，我国国民经济总体形式发展看好、石化工业发展迅速，橡塑原料充足。 随着国内橡塑加工企业的竞争日趋激烈，人们对挤出制品的质量提出了更高的要求， 对挤出工艺过程的节材节能要求、加工设备的高产率低能耗要求都给予了更多的关 注，而采用聚合物熔体泵挤出技术恰恰能适应并有效地满足这些要求。目i j 国内已开 始注意应用熔体泵挤出技术，引进的熔体泵挤出设备也明显增多。与此同时，熔体泵 挤出设备的国产化现已起步，相关技术方面的科研开发工作也在进行。北京化工大学 于1 9 9 1 年自西德引进配有熔体泵的挤出实验设备以来，在熔体泵应用技术方面积累 了丰富经验，对熔体泵的性能、结构特点、工作要求等进行了深入分析。机电工程学 院的江波教授课题组从1 9 9 8 年丌始在大连橡塑机厂、晨光化工研究院塑料机械研究 所等单位的支持下，自行开发研制了中心距齿宽为2 8 2 8 、5 6 5 6 、7 0 7 0 的三种规格 聚合物熔体齿轮泵，并应用在实际工艺中。郑州机械研究所齿轮研究开发中心根据熔 体泵应用技术的发展趋势，对熔体泵的工作基理、使用性能、设备结构研制、控制技 术等开展了多方面的研究并取得成果，并已经产业化生产，主要有s p 系列和s p l 系 列熔体泵。 目前国内能够生产熔体齿轮泵的厂家有苏州工业园区华西泵业有限公司、南京科 亚公司等厂家。苏州工业园区华西泵业有限公司专门从事纺丝计量泵的研制，目f j f 生 产的熔体齿轮泵的最大产能为3 t h 左右，不带联苯保温夹套，电机和泵轴问的传动轴 不是万向轴，受热膨胀时，影响泵和电机的固定。南京科亚公司是由原化工部化工机 械研究院及外商组建的，主要从事双螺杆挤出机整套装置的研制。生产的高温熔体齿 轮泵是为其螺杆挤出机配套的，主要应用在塑料加工领域。该公司目前也只能生产产 量在2 t h 左右的熔体齿轮泵，配有保温夹套，是增压计量齿轮泵，安装在挤出机和机 头之间。 1 3 2 国内外熔体齿轮泵的研究 美国华盛顿大学对熔体泵的研究比较早【1 8 】，在七十年代，j m m c k e l v e y 教授与 北京化t 人学硕i ：学位论文 l u w a 公司的u r s m a i r e 工程师合作，对熔体泵的输送原理进行了诸多研究，并与螺杆 泵进行了比较，他们把熔体泵的输送简化为活塞泵加上一段小直径排出管道，他们得 出熔体泵其实也是一个正位移输送装置。在理想的状态下，和活塞泵一样，流量随转 速而变化，并是转速n 的线性函数；排出管中的流动是在泵的出口压力作用下而形成 的压力流，与物料的粘度和管道的几何尺寸有关系。 1 9 8 8 年，g b o l d e r 和h l a n g h o r s ta a c h e n 对熔体泵的使用范围、功能、结构设计 等诸方面进行了研究，指出熔体泵可用于大生产量和高粘度物料，泵的最大设计压力 可达15 0 - 7 0 0 k g c m 2 ，输送量为1 0 - 2 2 0 0 0 k g , h r ；熔体泵入口设计成楔形结构有利于 熔体充满齿槽，并且为了避免根切，齿轮齿数z 应大于1 6 ，采用较多齿数的有利于 减少脉动，齿轮直径d = ( 0 5 2 ) b ；齿侧i 、日j 隙及壳体与齿顶的问隙的确定非常重要，因 为熔体泵的容积效率以及泵的建压效果与间隙有很大关系。还有一点应该注意的就 是，在问隙内形成的熔体薄膜由于受到较高的剪切力的作用而产生很大的热量，致使 熔体升温，甚至容易焦灼以致熔体降解。并给出了间隙的范围值为0 0 2 5 0 1 5 r a m 1 9 】。 九十年代，a k i c h m a n m 教授和h i l l s 公司的n s e l l i s o 工程师对熔体泵的工作扭 矩、轴承的润滑、齿轮的受载情况以及压力特性进行了分析【2 0 1 。a k i c h m a n m 推出了 驱动扭矩公式：m a = m r + m h ，式中m r 为摩擦损耗，m h 为工作压力损失，m h = ( v a p ) 2 ，认为齿轮的形状、间隙大小和物料粘度是影响扭矩的主要因素。在轴承的润 滑机理方面，a k i c h m a n m 认为长分子链的聚合物具有很高的承载能力，当轴承工作 时，在轴承和轴之间能形成润滑膜。如果过热和过载，往往会破坏润滑膜，致使轴和 轴承的直接接触，形成干摩擦。他还认为非牛顿流体的滑动轴承的承载能力非常困难， 主要是由于聚合物熔体具有很强的粘弹性效应。n s e l l i s o 在h i l l s 公司的纺丝生产线 上对熔体泵的压力特性进行了研究，他采用不同输送能力的熔体泵，对p p 进行挤丝 加工，并维持挤出压力不变，而调节挤出机的出口压力。他发现在泵的高转速区输出 压力变化得比较慢，而标准压力偏差与熔体泵本身的大小和每转输出能力有关。对于 大型号熔体泵，随着输出量的增加，标准偏差几乎不变，而对于小型号的熔体泵，标 准偏差则随着输出量的增加也随之增加。 c h r i s a p a p a d o p o u l o s 等人在2 0 0 7 年发表论文认为，由于常时间的支撑转轴的转 动，轴承的磨损主要出现在表面上，从而，我们需要一种新的轴承间隙考查方法，在 这个方法的基础同时要衡量到轴承的未来运行稳定性。他利用有限元方法对轴承的每 个结点进行了分析。通过求解雷诺方程得到轴承的动力系数，从而计算出润滑油膜的 压力分布，他在转轴的某个点( 一般是中点) 进行实际的反馈测量，并且是进行多次 不同速度和磨损影响的测量，以求达到和计算得到的误差最小化。 a n d r e a si m t h u m 在齿轮泵中流体动压轴承的润滑问题一文中指出【2 1 。2 刀，在设 计齿轮泵和他们的流体动压轴承时候，要了解材料的剪切粘度、流动指数以及对温度 的敏感性等方面的数据，并且他总结了一些材料的流动指数，如表1 1 ： 第一章绪论 他分析了在轴承的热平衡当中，物料的粘度与剪切速率有关，剪切应力产生的摩 擦效应使得轴承的温度升高，即： 尸赢擦= 入v 材料7 7 ( ，y ，t ) ，y 2 而且，轴承间隙中产生的热量应该和散失的热量平衡。即： 高聚物摩擦热能+ 散失热能= o 表1 - 1 物料在1 0 0 0 s 下的流动指数 t a b l e1 - 1f l o wi n d e xo ft h ep o l y m e ra tl0 0 0 s 产品流动指数 p e t 瓶 o 7 2 p e t 轮胎帘布 o 5 0 特种纤维0 1 7 l l d p eo 3 5 p p0 2 4 在这篇论文中，作者还探讨了润滑系统的优化设计，其中包括轴承间隙的优化等， 他分析到为了保持较小的间隙泄漏量，轴承间隙应尽量小。但是同时又要间隙保证不 能太小产生过大的摩擦热。间隙过小，物料产生高的剪切热后不能及时的释放，物料 就会烧焦，而且轴承也没有足够的空隙来补偿轴的偏斜或变形，间隙若设计过大，工 作时间内产生的流体动压润滑膜的承载能力将不够。 作者还提出了润滑槽的形状、容量、走向以及流体流入过渡区的几何形状的优化 的重要性，润滑槽的容积要大于润滑间隙的容积，即：7 润滑槽二7 润滑间隙，并且在轴 承润滑槽的设计中应该考虑到流体的复杂流向。 最后他指出，轴承间隙和润滑槽的优化，轴承的材质以及最终的表面处理工艺对 齿轮泵的设计有着重要的影响。此外，为了保持最低的泵速，最小和最大工作压差， 以适应特定的泵送工艺和控制其他操作条件，齿轮的控制系统也是非常重要的。 在p o l y m e rp r o c e s s i n gi n s t i t u t e 给艾森克美孚做的熔体泵滑动轴承流场分析阶段报 告中指出，如果延长滑动轴承的润滑槽可以提供更多的新聚合物熔体到轴承润滑油膜 中，有效的降低了轴承的温度。同时报告也表明，若轴承没有冷却，轴承将处于危险 的高温范围，由于高聚物在高剪切速率和高温下，粘度会非常低，轴承会失去润滑效 果。更有甚者，在高温下，高聚物会迅速的降解。在该模拟中，该报告选用了低熔融 指数的n t x l 4 1 ( m i 约等于1 ) 和高熔融指数的n c e l 0 7 ( m i 大于3 两种物料，得到 了段润滑槽和长润滑槽两种结构下的聚合物润滑流道粘度、剪切速率、温度分布云图。 9 北京化t 大学坝l 位论女 霆一、 鍪。， 一翟丫 三三三二二二二三盈 ( a ) 短润滑 背轴承内部温度分布( b ) k 删滑槽轴承内部温度分布 图1 _ 8 轴承宽对润滑敛粜的影响 f i g 1 - 8 t h e i n f l u e n c e t a k e n t o l u b r i c a t i o ne f f e c t b y b e a t i n g w i d t h 国际上许多聚合物生产、加工与塑机供应方面的著名厂商都在熔体泵的开发应用 方面领先一步，如美国的d y m s c o 公司( 生产m h d p 、m g p 系列熔体泵) 和瑞士m a a g 公司( 生产e x t r e xs p 、s t 、s e 系列熔体泵) 。d y n i s c o 公司生产的m h d p 熔体泵能够为 苛刻的挤出过程提供高性能，专为高黏度，满填充，高压力的过程而设计：能够精确 地提供所测的熔酯以及到达模具的压力，以保证持续的输出，保证生产出高质量的产 品。m h d p 齿轮泵可以减少挤出机的负载，从而提高输出率，降低熔体温度，节省能 源消耗。 13 3 熔体齿轮泵的发展前景 就目前的技术状况来看，熔体泵的发展趋势有以下几个方面： 1 大排量 随着塑料行业的不断发展，追求一种同体积情况下但有更大排量的熔体泵是一个 必然的趋势，大排量的泵可以提高产量，减少生产成本而达到更大的经济效益。目前 在这个研究上存在着很多难点，要增大排量而不改变泵的体积，主要需要从泵的核心 部件一齿轮转子e 入手，少齿数、大模数的泵是我们所希望的，但是模数、齿数的确 定：齿形的研究都是设计和研究的难点。 2 高产率 高产率的泵也将是一个发展趋势，产量是一个熔体泵生产能力的表征参数，目 前应用于生产的有3 3 吨d 时，甚至更高比如8 5 吨d 时的熔体泵。 为了提高泵的产量，一个方面是提高泵的排量，像上文中我们已经提到的，也可 以提高泵的转速来增加泵的产量，但是泵的转速不能无限制的提高，因为限制泵转速 的因素有很多，晟重要的是轴承润滑系统的设计局限性。这将是本课题所需要重点研 究的内容，具体内容和方法将在后面阐述。 3 低噪声 嚣蕊一 ， 一匕 第帝绪论 齿轮泵的噪声主要由2 部分组成，部分是齿轮啮合过程中所产生的机械噪声， 另一部分是由于熔体堵塞所产生的噪声。前者与齿轮泵的加工和安装精度有关，后者 则主要取决于泵的进料是否排尽。 4 低流量脉动 流量脉动将引起压力脉动，从而导致系统产生振动和噪声，这是与熔体输送的要 求不符的。 1 4 课题研究内容和意义 目前石化行业在大型化和高产量的驱动下，双驱动熔体泵在生产中的使用已成为 一种趋势，仅目前国内来看，双驱动熔体泵基本上完全依赖进口，主要从日本制钢所 0 s w ) 、神户制钢所( k o b e ) 和瑞士马格( m a a g ) 公司引进，根据行业规划，十一五 期问我国石油化工行业将继续快速增长，其中2 0 力吨及以上大型造粒机组计划新增 2 0 余套，其中大部分需要配备熔体泵系统。如果全部引进将需要非常巨大的外汇支出。 由于大型泵机械结构特殊，设计制造过程复杂，要实现国产化必须克服很多困难，困 难之一就是首先要通过设计关。 就国内目前情况而言，大型双驱动熔体泵的设计仍然面临诸多困难，这是因为大 型双驱动熔体泵的设计与研发基础较浅。同时对于国内已引进的众多设备，由于在相 当长的一段时间内，没有专业设计研发人员的介入，也由于企业间的独立，出于技术、 商业或生产利益的考虑等，技术信息交流不够，这些因素都不同程度地影响和阻碍了 对已引进技术的全面分析和有效利用。 目前国际上与大型熔体泵的研究开发相关的文献非常少，m a a g 公司的i m t h u m 等人在其文章中介绍了熔体泵动压轴承的润滑问题，而其所引用的文献绝大多数为 m a a g 公司的内部资料。国内关于这方面的研究更少见。 本文拟在前人对单驱动熔体泵的研究基础上，对大型双驱动熔体泵的一些主要结 构与性能参数的设计问题进行研究。为了追求熔体泵输送聚合物的更大排量，对熔体 泵齿轮转子的结构以及齿形做出改进，预期得到一套设计模块，可以为大型双驱动熔 体泵的设计提供设计方法、设计程序及计算分析软件。 本论文同时拟对双驱动熔体泵在运行过程中所受的径向力，扭矩、功率等性能参 数做细致的理论分析和推导，通过v i s u a lb a s i c 编程语言得到一套双驱动熔体泵性能参 数的设计模块，同时，本研究通过p o l y i l o w 有限元模拟软件考查齿轮轴转速对滑动轴 承承载能力的影响，针对自润滑滑动轴承的润滑油膜流场做出分析。 第一章驱m 熔体泉的结柑、t 作原理捧量 第二童双驱动熔体泵的结构、工作原理与排量 双驱动熔体泵的工作原理与单驱动熔体泵相同，其主要功能也是通过工作腔容积 的不断变化，形成进料腔和排料腔，将来自挤出机的高温塑科熔体增压、稳压，保持 熔体流量精确稳定地送入挤出机头。当泵入口的熔体由各种原因产生较大幅度的压力 波动时，在泵的出口引起的压力被动却极小。 双驱动泵的主要特点除了单驱动熔体泵结构简单紧凑工作可靠，寿命较长的优 点之外，由于其双轴输入的特点，齿轮之间为啮合非接触状态，与单驱动泵相比，齿 面之问设有啮合力的作用，齿轮轴所受的径向力仅仅柬自于物料建压时的液压力，可 以较大的降低以前单轴驱动时齿轮轴可能因负载过大而使得轴发生疲劳破坏的可能 性，同时降低了轴承的径向力，延长熔体泵的使用寿命。 不论是单驱动或是双驱动熔体泵，其工作原理决定了泵的性能参数高低与齿轮转 子的结构参数关系很大，因此正确选择熔体泵齿轮转子的结构参数是最重要、虽基本 的工作。本章内容分析的齿轮转子对双驱动熔体泵排量和流量脉动的影响也可使用于 分析单驱动熔体泵，齿轮结构参数对双驱动熔体泵齿轮轴强度的影响在本论文的第四 章中分析。 2 1 双驱动熔体泵结构 如图2 - l 所示，与单驱动熔体泵结构类似，双驱动熔体泵也主要由泵体、前后侧 板、两个相互啮合的齿轮、轴承和密封件、加热冷却件等组成，区别在于，双驱动